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【IC设计】华为P40 Pro、苹果iPad Pro搭载 这项新技术为何备受青睐?

来源:中国电子报    原作者:张心怡    

3月26日,华为在法国发布P40系列手机,P40 Pro及P40 Pro+确认搭载后置ToF镜头。3月18日,苹果上线的iPad Pro也搭载了ToF模组,开启了ToF在安卓和苹果阵营的双重发展。两大巨头看中了ToF的哪些能力,ToF还有哪些技术潜能?ToF的普及发展还有哪些挑战待解,又将对相关产业链产生什么影响?

苹果借ToF完善AR版图

目前,ToF(飞行时间法)与双目立体视觉法、结构光法是市面上的主流3D光学方案,ToF具备成本适中、体积小、功耗低、响应快等综合优势。ADI系统应用工程经理李佳表示,相比结构光以及双目的技术,ToF的适配范围更广、工作距离更远,能相对准确地提取深度信息,很多应用厂商已经从双目、结构光慢慢转向ToF技术。

苹果全新iPad Pro首次搭载ToF模组,并称基于ToF的激光雷达扫描仪将iPad变成了“体验AR(增强现实)的强大装备”。其激光雷达利用了直接飞行时间技术(dToF),能测量室内或室外环境中最远五米处的反射光,与iPad的广角及超广角摄像头、运动传感器和 iPadOS 系统协同进行深度测量。

iPad加入ToF技术,拓展了苹果产品线的AR布局。苹果于2017年发布了AR开发平台ARKit,赋予开发者在iOS环境下为iPhone开发AR应用的能力。在iPad Pro上线后,苹果表示,iPadOS、iOS 13 操作系统与 ARKit3开发平台将依托 iPhone 和 iPad 硬件,使虚拟世界更流畅地与现实生活融为一体。

华为“河图”大招正在路上

ToF技术一般分为dToF和iToF(间接飞行时间)两种,安卓手机更多采用iToF方案。华为Fellow Cyberverse(河图)总工程师、Camera总工程师罗巍近日在社交媒体表示,苹果的dToF技术侧重室内XR(泛指VR、AR、MR等扩展现实技术)场景,所以优先着力室内和5米以内的ToF测距。而华为河图将部署地球级XR,需要将测距能力拓展到10米以上。

河图是“地球级”虚实融合的空间计算平台,由华为在2019年发布。河图能结合AR技术,将地标信息以三维立体的方式投射到手机摄像头的取景中,让数字信息更加具象、生动地投射到物理世界,并具备3D高精地图、全场景空间、强环境理解、虚实融合渲染四项核心能力。在3D光学的构建上,河图先后引入了结构光和ToF。罗巍表示,苹果和华为都在为自己的XR平台构想匹配硬件,这是一个好的开始。

在华为P40 Pro及P40 Pro+确认搭载ToF镜头之后,河图是否会在4月8日发布的P40国行版系列搭载引起消费者热议。3月18日,河图在华为花粉俱乐部正式开版。3月27日,罗巍在社交媒体曝光了河图开机画面,并透露河图公测已经提上日程。

ToF还有哪些应用潜力

除增强个人消费产品的AR体验,ToF在车载、工业、金融等行业市场也具备可观的应用空间。

车载市场是ToF重要的落地场景之一,包括车内手势交互,监测疲劳驾驶,乘客姿态监测等。李佳表示,ADI的ToF产品在车载领域有三个应用方向。一是作为车内传感器,用于手势操控,以及驾驶员、副驾驶与乘客的体态监控。在欧洲市场,一些车险公司需要根据事故发生时司机或者乘客的即时状况进行理赔,这推动了ToF成为车内领域的重要应用;二是车外近距离的人脸解锁;三是车外辅助驾驶。

“ToF相对于其他光学方案(双目立体视觉法、结构光),最大的特点是可以进行更远距离的探测,从而将ToF方案拓展到车外辅助驾驶。”李佳说。

随着金融支付、机场安检等场景越来越多地引入人脸识别,如何提升应用的安全级别成为关键。ToF能在比对二维人脸图像的基础上,增加3D深度信息,适用于活体检测,更好地保证“刷脸”应用安全。

在工业、物流等场景,ToF能采集物体的三维信息以快速计算体积,在货物装填、库存计算等物流运输场景发挥作用。例如,VR厂商Pico的深度传感器解决方案Pico Zense通过在挂车装载ToF深度相机,实时测算多台挂车的装载量及进度,提升了空间利用及装载效率。

发挥ToF潜力还有多项挑战待解

虽然苹果、华为、OPPO等厂商希望通过ToF增强个人设备的AR体验,但目前移动端ToF主要用于辅助对焦以及量尺等简单的AR交互,与消费者设想的AR体验仍有差距。

集邦拓墣分析师蔡卓卲向记者指出,在移动终端领域,ToF处在一个比较尴尬的地位,因为ToF的价值在于广范围、中距离的深度感测,而移动终端普遍缺乏该类型的应用。

“目前ToF最有潜力的应用还是AR,但AR内容的不足是最关键的问题。” 蔡卓卲说。

在行业市场,ToF还需要提升硬件功率和算法准确度。另一市场调研机构在答复记者采访时表示,ToF在无接触式支付和工业设计、扫描领域存在应用潜能,主要诉求在于解决远距离和大物件扫描。目前受困于移动设备支持的功率小,扫描远距离还有困难。同时,ToF算法的准确性仍需精进,运用场景和市场需求还有待挖掘。

“5G的普及和大数据的应用,以及AI算力的提升,将对ToF的软件算法突破起到很大帮助。”该研究机构表示。

有望带动上下游软硬件发展

对于ToF从业厂商来说,精确度与成本的平衡是一个挑战。蔡卓卲表示,ToF的性能提升对CIS(图像传感器)的分辨率、光学组件的制造都是挑战。iPad Pro采用的dToF技术门坎更高,零组件和技术的供应厂商较少,提高性能与精确度需要厂商投入更多的资源和时间。同时,精确度提高将带来成本的提升,在ToF市场应用仍未充分开掘的情况下,高精确ToF模块只有头部厂商有能力搭载,且机型较少、市场保有量较低,厂商需要和终端厂商充分配合,寻找成本与性能的平衡点。

ToF的发展将对CIS、光学组件等上下游产业起到推动作用。蔡卓卲指出,如果ToF顺利发展,首先将推动相对应的CIS发展;其次是光学组件,包括镜片甚至衍射光学元件,ToF提升精准度的同时将提升光学设计的难度;最后是发光源的VCSEL(垂直腔面发射激光器)以及其他ToF模块需要用到的零组件。除了硬件,AR应用服务会随之扩张,带动开发工具、AR转换工具的发展。

“为了增加AR应用服务,最好的方式不是从零到有地开发AR,而是将既有的应用服务转换为AR模式,这会拉动转换工具的发展。” 蔡卓卲说。

封面图片来源:拍信